Возобновляемая, или регенеративная, «зелёная», энергия

[samsony1]

Возобновляемая, или регенеративная, «зелёная», энергия — энергия из энергетических ресурсов, которые являются возобновляемыми или неисчерпаемыми по человеческим масштабам. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов или возобновляемых органических ресурсов и предоставлении для технического применения. Возобновляемую энергию получают из природных ресурсов, таких как: солнечный свет, водные потоки, ветер, приливы и геотермальная теплота, которые являются возобновляемыми (пополняются естественным путём), а также из биотоплива: древесины, растительного масла, этанола.

[samsony1]

[samsony1]

[samsony1]

[samsony1]

виновата ли альтернативная энергетика

Сильные по местным меркам морозы, обрушившиеся на страны Евросоюза и южные штаты США в феврале и октябре 2021 г. привели к сбоям в энергоснабжении. Это вызвало бурную дискуссию в СМИ, поскольку пострадали именно те регионы, где декларировался ускоренный переход на безуглеродные источники энергии. Но виноваты ли новые технологии в произошедшем?

Сокращение энергопотребления в 2020 г. привело к резкому росту доли альтернативной энергетики (солнце, ветер) в общей генерации. В сочетании с отрицательными ценами на нефть, державшимися в середине прошлого года, это позволило ряду политиков заявить о «закате эры углеводородов». Мы не знаем точно на нынешнем уровне развития науки, привел ли резкий спад промышленного производства, автомобильных и авиационных перевозок в течение всего прошлого года к отступлению глобального потепления, или речь идет о более долгосрочных циклах естественного изменения климата на Земле. Тем не менее, холодная и на редкость снежная зима 2020/2021 годов несколько охладила пыл американских и европейских чиновников, ратовавших за полный отказ от нефти, газа и угля.

Низкие температуры привели к росту энергопотребления, а ведь во многих местах отопление уже было переведено на электричество. Солнечные панели заносило снегом, в ряде случаев лопасти ветрогенераторов в условиях невиданного для стран с умеренным климатом мороза −10 °С покрывались льдом. Чтобы запустить ветроэлектростанции, приходилось поливать ветряки с вертолетов антизамерзающей жидкостью. Пик заморозков и снежных метелей в США и Евросоюзе пришелся на первую половину февраля 2021 г. Тогда пришел черед россиян убедиться, что без их нефти и газа, несмотря на новомодные технологии, Европа пока обойтись не может. К слову, российская энергетика, где, по сложившемуся мнению (как потом будет объяснено, не сосем правильному) доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) якобы составляет менее 1 % от общей генерации, также столкнулась с морозами. И с честью выдержала это испытание.

Но что произошло на самом деле? Неужели действительно альтернативная энергетика настолько вошла в нашу жизнь, что остановка солнечной и ветряной генерации привела к энергетическому коллапсу? Или же это следствие недостатков в организации работы обычных электростанций? Истина, как обычно, находится где-то посередине.

источник - здесь

[samsony1]

Реальная доля ВИЭ

В публикациях о структуре энергетики других стран частот путаются понятия «альтернативной энергетики» и ВИЭ. Понятие «альтернативной энергетики» достаточно расплывчатое: к ней относят виды генерации, которые стали использоваться в промышленных масштабах относительно недавно — солнечная и ветровая. А вот ВИЭ можно более точно определить как получение энергии из источников, которые могут относительно быстро возобновляться (на протяжении времени до нескольких десятков лет). И именно ВИЭ, как правило, указывают во всевозможных отчетах. Это не только нефть и газ, но и старая добрая гидроэнергетика. Мало того, такой древний совсем не экологичный способ выработки энергии как сжигание древесины — это тоже ВИЭ, потому что дерево при желании можно снова вырастить за несколько лет. В отличие от нефти и природного газа, формирующихся в течение десятков миллионов лет. Атомные станции — тоже не ВИЭ, поскольку количество урана на Земле ограничено.

А теперь давайте посмотрим на структуру выработки электроэнергии (считается поставляемая потребителям энергия без расходов на собственные нужды электростанций, а также выработки энергии собственными электростанциями промышленных предприятий) в Германии — «локомотиве» экономики Евросоюза — в относительно спокойном 2019 г. Доля ВИЭ (желтый цвет на диаграмме справа) декларируется как 46 %. В то же время доля солнечной генерации — всего 9 % (желтый цвет на диаграмме слева), ветрогенерации (серый цвет на диаграмме слева) — 24,6 %. Остальные ВИЭ представлены гидроэлектростанциями — 3,8 % (синий цвет) и так называемой «биомассой» — 8,6 % (зеленый цвет), к которой отнесены как выработка биогазов, так и сжигание отходов вроде древесной щепы. Итого на долю альтернативной энергетики, потенциально уязвимой для сильного мороза, остается 33,6 % генерации. Это всего лишь треть выработки энергии, что, впрочем, тоже немало.

В 2020 г. доля ВИЭ увеличилась во многом за счет того, что именно тепловые электростанции «отработали» падение спроса на электроэнергию. Но при наступлении сильных морозов в Германии быстро нарастили выработку электроэнергии из бурого угля, добываемого на территории страны, что повредило экологии, но позволило избежать более серьезных последствий.

Из-за сильного мороза может происходит обледенение лопастей ветрогенераторов. Фото из открытых источников
В США доля ВИЭ в 2019 г., подсчитанная по методике, аналогичной применяемой Fraunhofer ISE для Германии, составила 18,3 % от общей генерации. Причем гидроэлектростанции дают 6,8 % от вырабатываемой электроэнергии. Ветряки и солнечные панели создают всего 10,7 % электроэнергии. Но, следует отметить, что в США, как и в других странах, в отчеты по ВИЭ не входит микрогенерация для личных нужд. Основой США является пресловутая «одноэтажная Америка», которая все больше покупает солнечные панели для своих домов, чтобы не связываться с поставщиками электроэнергии. Если бы ее учитывали, доля солнечных панелей в генерации могла быть больше.

Кстати, к вопросу о пресловутых «менее 1 % ВИЭ в российской энергетике». Да, на ветряки и солнечные батареи у нас сейчас и приходится, по разным подсчетам, не более 1-2 % вырабатываемой электроэнергии. Но на долю гидрогенерации в нашей стране приходится около 17-18 % вырабатываемой электроэнергии. Итого, по доле ВИЭ в энергетике, Россия находится на уровне США, просто у нас другая структура генерации, что связано, в том числе, и с разницей в климатических условиях.

Итак, если брать не все ВИЭ, а только солнечную и ветряную генерацию, они практически нигде не составляют большую часть установленных мощностей. Если в 2020 г. где-то тепловые электростанции и были переведены на «меньшие обороты» из-за сокращения спроса, то технически не было никаких препятствий нарастить выработку электроэнергии в морозы. Тем более, что современные методы позволяют получать точные прогнозы погоды как минимум на 10 дней вперед. Значит, проблемы были не только и не столько связаны с увеличением доли альтернативной энергетики.

источник - здесь

[samsony1]

Проблемы в Евросоюзе

Держать в хранилищах большое количество природного газа экономически невыгодно. На протяжении предыдущих лет все более теплые зимы привели к тому, что плановые по созданию запасов газа из года в год сокращались. В 2020 г. хранилища оказались переполненными, это повлияло на объемы поставок, прописанные в контрактах на 2021 г. Кроме этого, во многом по политическим причинам, в Евросоюзе сделали серьезную ставку на доставку сжиженного природного газа по морю вместо расширения поставок через трубопроводы из России. Из-за большого времени в пути по морю и ограниченного числа танкеров такой способ перевозки не смог оперативно отреагировать на изменение погоды. В отличие, кстати, от «Газпрома», который уже к марту нарастил поставки газа в Европу примерно на треть.

Но был еще один фактор, который не принято афишировать. В структуре генерации Германии в 2019 г. на каменный уголь приходилось 9,4 %, что сопоставимо с долей природного газа (10,5 %). С 1 января 2021 г. использование каменного угля в электроэнергетике Германии было прекращено. В то же время сохранилось использование бурого угля (на 2019 г. его доля составляла 19,7 %), значительно менее экологически чистого при сгорании (из-за чего в СССР от его использования отказались еще в 50-х годах XX века). Причины, опять-таки, были сугубо политические — каменный уголь Германия покупала в основном в России, а бурый уголь добывается на ее территории, причем главным образом в восточных землях, нуждающихся в дополнительных мерах экономической поддержки.

Не лучше и осень 2021. Непринятый "северный поток-2", ограничения транзита через Украину - снизило поставки трубопроводного газа из России.
Отсутствие ветра и солнца снизило выработку "зеленой" электроэнергии в Европе.
Отключаются ТЭС, ограничивают потребление промышленности, повышение цен на газ - это обострило энергетический кризис в Европе.

источник - здесь

[samsony1]

Проблемы в Калифорнии

Энергосистема США в целом выдержала испытания морозами. Конечно, проблемой, характерной для США, является довольно частый обрыв проводов распределительной сети при тех или иных погодных катаклизмах, поскольку доля калиброванных линий энергоснабжения довольно низкая. Тем не менее, с этим в итоге справились. Катастрофические проблемы возникли только в одном штате — Калифорнии. Да, там панели занимают более высокую долю генерации, чем в среднем по стране — примерно 20 — 25 %. Ветроэнергетика в Калифорнии не очень развита и дает не более 1,5 % вырабатываемой электроэнергии. Итого, на долю альтернативной энергетики в Калифорнии приходится менее четверти вырабатываемой электроэнергии. Это меньше, чем, скажем, в Германии, где масштаб отключений был не таким значительным.

Главная причина в другом. Калифорния имеет энергосистему, изолированную от других штатов. То есть в экстренных случаях нет возможности обеспечить переброску дополнительной электроэнергии в регион или из него. Остальные штаты объединены единой энергосистемой. Кроме этого, уникальность Калифорнии еще и в том, что в этом американском штате, в отличие от других, отсутствует какой-либо официальный орган, координирующий местную политику в области энергетики. В результате некому было обязать электроэнергетические компании иметь резервы мощности на случай чрезвычайных ситуаций. Для сравнения, в России обеспечивается надежное энергоснабжение в сложных погодных условиях именно благодаря наличию единой энергетической системы, в которую включены генерирующие организации различных форм собственности.

Но до поры до времени ситуация в Калифорнии складывалась более чем хорошо. Дешевая электроэнергия обеспечивала промышленным предприятиям штата конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынках. Достигалась дешевизна электроэнергии не только за счет солнечной генерации, а в том числе и за счет того, что не расходовались средства на создание резервных мощностей и интеграцию электросети штата в энергосистему всей страны. Причем в большей степени такой подход касался как раз традиционной энергетики, которая должна была «подстраховать» альтернативную.

В условиях поставленной задачи возрождения промышленности в США и ценовой войны с Китаем такая ситуация, похоже, удовлетворяла политиков. «Первый звоночек» прозвенел в августе 2020 г., когда в Калифорнии произошел массовый блэкаут из-за рекордной жары. В результате лесных пожаров были разрушены несколько линий электропередач. При этом жара увеличила потребление электроэнергии за счет повсеместно включенных на полную мощность кондиционеров. И вот теперь мороз и снежные метели снова обесточили штат.

[samsony1]

Проблемы в Китае

В частности, в юго-восточной провинции Цзянсу, одной из богатейших в стране, было остановлено почти 150 предприятий, а для более чем тысячи заводов и фабрик был введен режим энергоснабжения «два часа через два». С ограничениями в подаче электричества столкнулись и компании в еще одной важнейшей для экономики КНР провинции Гуандун, а в северо-восточных провинциях Хэйлунцзян, Цзилинь и Ляонин отключения затронули главным образом жилые районы, несмотря на существенное похолодание.

В общей сложности энергетический кризис проявился как минимум в двух десятках регионов Китая, на которые приходится две трети ВВП страны; по сообщению агентства Bloomberg, проблемы ощутили на себе такие отрасли, как автомобилестроение, производство электроники, металлургия, химпром, мебельная промышленность и т. д. Нехватка электричества уже отражается в экспортной статистике Китая по энергоемким товарам. Например, экспорт алюминия из КНР за восемь месяцев этого года снизился более чем на 10%, а экспорт стальной продукции с апреля по август упал с почти 8 млн тонн до 5 млн тонн.

Еще одним сигналом о критической ситуации стало недавнее обращение Государственной электросетевой компании Китая к российской «Интер РАО» с просьбой увеличить поставки электроэнергии. Еще в 2012 году между ними был заключен 25-летний контракт на совокупный импорт из России 100 млрд кВт·ч электроэнергии, однако в последние три года использовалось лишь меньше половины пропускной способности построенных для этого сетей (6−7 млрд кВт·ч). В 2018−2020 годах «Интер РАО» поставляло в Китай в среднем порядка 3,1 млрд кВт·ч, но с 1 октября увеличит экспорт примерно на 90% по сравнению с плановыми объемами.

Сейчас поступающие из Китая сводки с энергетического фронта складываются в картину экстренной мобилизации.

источник - здесь

[samsony1]

результат перегрева ФЭС

[samsony1]

результат работы града и вид СФЭ

[samsony1]

Австрия поставила перед собой амбициозные цели в области климата. В частности, планируется массовое развитие фотоэлектрической энергетики. Чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к типичным маломасштабным установкам для односемейных домов мощностью пять киловатт, необходимо будет построить около 750 систем — каждый день до 2030 года. Однако нет необходимости беспокоиться о том, что в некоторых местах на крыше не хватит пространства, потому что в Австрии наблюдается тенденция к созданию крупных установок мощностью в несколько мегаватт.



Крупнейшая в стране открытая фотоэлектрическая система была открыта в ноябре 2020 года в Шёнкирхен-Рейерсдорфе, к северо-востоку от Вены. 34 600 модулей охватывают площадь 13,3 гектара, что составляет примерно 18 футбольных полей. Они объединяются для генерации 11,5 мегаватт, в общей сложности почти 11 гигаватт-часов электроэнергии в год, что соответствует потреблению 3400 домохозяйств. Это экономит 8000 тонн углекислого газа в год. Следующим этапом проекта станет еще 10 400 модулей, обеспечивающих 3,5 мегаватта и снабжающих еще 1000 домохозяйств «зеленой» энергией. Затраты делятся поровну между энергетическими компаниями OMV и Verbund, при этом KPV Solar несет общую ответственность за строительство установки.

источник - здесь

[samsony1]

Самые необычные способы выработки электроэнергии

Доступ к безграничной энергии — едва ли не самая востребованная идея человечества. Недаром новые разработки, которые навсегда избавили бы население Земли от нехватки энергии, то и дело появляются в научных корпоративных и университетских лабораториях.

Генератор из турникетов, пьезоэлементы в напольной плитке, выработка электроэнергии при помощи «лежачих полицейских», использование вулканической энергии или сточных вод — каких только методов электрогенерации не предложили исследователи за последнее десятилетие. В 2020 году этот список пополнили новые изобретения, позволяющие получать электричество из необычных источников. И хотя сроки масштабной реализации этих проектов отодвигаются на годы или даже десятилетия, это не останавливает изобретателей, вновь и вновь пытающихся получить хотя бы первые микроватты энергии из альтернативных источников.

источник - здесь

[samsony1]

Электричество из воздуха
В лаборатории Университета Массачусетса в Амхерсте (UMass Amherst) создан Air-gen — пневматический генератор с электропроводящими белковыми нанопроволоками, которые производят микробы Geobacter.

Тонкая пленка из нанопроволок толщиной менее 10 мкм нижним и верхним концами касается миниатюрных электродов. Она адсорбирует водяной пар из воздуха, создавая на устройстве градиент напряжения. Комбинация электропроводности и химического состава поверхности белковых нанопроволок в сочетании с порами между ними в пленке создает условия для генерации электрического тока. По мнению исследователей, с помощью Air-gen можно генерировать электроэнергию даже в условиях низкой влажности, сравнимых с пустыней Сахарой.

В лабораторном прототипе генератора удалось получить постоянное напряжение около 0,5 В на пленке толщиной 7 мкм с плотностью тока 17 мкА на квадратный сантиметр. Этого достаточно, чтобы обеспечить работу малогабаритной электроники. Но если запустить в производство так называемый патч Air-gen, то он сможет заменить аккумуляторы в браслетах для фитнеса, умных часах и мобильных телефонах.

источник - здесь

[samsony1]

Падающие с высоты капли — это не просто дождь, а возобновляемый источник электроэнергии

В Городском университете Гонконга (City university of Hong Kong) разработан электрогенератор на основе падающих капель воды с полевой транзисторной структурой (ПТС). Устройство обеспечивает очень высокую эффективность преобразования энергии и удельную мощность до 50,1 Вт/кв. м, что на несколько порядков выше, чем у аналогичных трибогенераторов.

Исследователи применили для сбора энергии от ударов падающих капель устройство, состоящее из верхней политетрафторэтиленовой пленки на подложке из оксида индия и олова, и алюминиевого электрода. Падая на верхний слой и растекаясь, капли соединяют алюминиевый электрод и электрод из оксида индия и олова. Тем самым компоненты создают электрическую систему с замкнутым контуром, преобразуя обычный межфазный эффект в объемный эффект и увеличивая мгновенную плотность мощности.

В лабораторном генераторе капля воды объемом 100 микролитров (0,1 г), падающая с высоты 15 см, генерирует напряжение более 140 В, зажигая 100 светодиодных лампочек. Кинетическая энергия падающей воды обусловлена гравитацией и может рассматриваться как возобновляемая. По мнению исследователей, этот метод получения электроэнергии применим везде, где вода попадает на твердую поверхность — от корпуса судна до зонтика.

источник - здесь